量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和體會(huì)（二）
薛其坤
量子霍爾效應(yīng)實(shí)際上給處在微觀世界的電子訂了一個(gè)“交通規(guī)則”。
量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn),，為我們突破摩爾定律和集成電路的發(fā)展提供了一個(gè)全新的原理。這是物理學(xué)基本研究為未來工業(yè)界發(fā)展提供的嶄新道路,。
整數(shù)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)
1980年,，德國科學(xué)家馮·克利青（K.vonKlitzing）在場效應(yīng)晶體管中研究霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象———整數(shù)量子霍爾效應(yīng),。從這個(gè)曲線中可以看到 （圖1），紅線的縱軸是霍爾電阻,，橫軸就是外加的磁場,。從0開始慢慢增加磁場強(qiáng)度，在磁場很小時(shí)霍爾效應(yīng)是線性的,，和磁場成正比,，這個(gè)現(xiàn)象很正常。但是隨著磁場強(qiáng)度不斷增高,，就逐漸出現(xiàn)了新的特征———它不再是線性的,，而是出現(xiàn)了一個(gè)平臺(tái)，比如說在6個(gè)特斯拉到9個(gè)特斯拉之間,，霍爾電阻一點(diǎn)都沒變，我們稱之為 “量子平臺(tái)”,。更奇怪的是,，這個(gè)平臺(tái)對(duì)應(yīng)于霍爾電阻的大小非常特別，h（普朗克常數(shù)）/e(一個(gè)電子帶的電量)2對(duì)應(yīng)的是25800多一點(diǎn)歐姆,。這個(gè)平臺(tái)出現(xiàn)的地方,，是這樣一個(gè)常數(shù)除上一個(gè)正整數(shù)，非常奇怪,。五年后的1985年,，馮·克利青因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
圖1整數(shù)量子霍爾效應(yīng),。
整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的奇怪之處在于它和一個(gè)常數(shù)有關(guān),，而與材料、形狀,、尺寸,、大小和制備方法沒有任何關(guān)系。不同材料的物理,、化學(xué)性質(zhì)都不一樣,，怎么會(huì)出現(xiàn)常數(shù)呢,？這背后一定隱含著物理學(xué)的一些很大、很重要的基本規(guī)律,。這就是為什么量子霍爾效應(yīng)變得這么重要,。
圖2分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。
還有其他更奇怪的地方,。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展,，我們可以用砷化鎵或砷化鎵鋁代替硅，做成高速的場效應(yīng)晶體管,。1982年,，美國物理學(xué)家崔琦和施特莫發(fā)現(xiàn)當(dāng)把一種半導(dǎo)體換成另一種半導(dǎo)體、在兩維的體系中做類似測(cè)量時(shí),，不但在整數(shù)的地方,，而且在1/3、2/3,、2/5的地方也出現(xiàn)平臺(tái),。（圖2）這就是分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。這個(gè)效應(yīng)不久由另一位美國物理學(xué)家勞弗林給出了理論解釋,，他們?nèi)朔窒砹?998年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。
量子霍爾效應(yīng)的啟示和應(yīng)用
實(shí)際上，后來隨著物理學(xué)家對(duì)量子霍爾效應(yīng)進(jìn)行更深入的研究,，我們認(rèn)識(shí)到剛才看到的這個(gè)平臺(tái)是微觀世界中電子運(yùn)動(dòng)的量子效應(yīng)非常生動(dòng)的,、深刻的體現(xiàn)。就是說從一個(gè)簡單的宏觀測(cè)量我們可以理解看不見,、摸不著的電子究竟是在干什么,。量子霍爾效應(yīng)實(shí)際上給處在微觀世界的電子訂了一個(gè) “交通規(guī)則”：電子在這種強(qiáng)磁場中，只能沿著邊緣的一維通道中走,。本來這是一個(gè)導(dǎo)體,，加上一個(gè)很強(qiáng)的磁場后，這個(gè)材料的絕大部分變成絕緣的,，電子只能在邊緣沿著一個(gè)個(gè)通道運(yùn)動(dòng),，而且只能做單向運(yùn)動(dòng)，不能返回,。（圖3）這樣的發(fā)現(xiàn)使我們大大加深了對(duì)微觀世界的理解,，這是物理學(xué)上一個(gè)非常大的進(jìn)步。
圖3量子霍爾效應(yīng)——電子運(yùn)動(dòng)的“交通規(guī)則”,。
這個(gè)發(fā)現(xiàn)有什么用處呢,？首先可以實(shí)現(xiàn)無耗散、低能耗,、高速度的電子器件,，并由此推動(dòng)信息和能源產(chǎn)業(yè)的巨大進(jìn)步,。而且它對(duì)未來實(shí)現(xiàn)固體拓?fù)淞孔佑?jì)算和信息處理的革命也有直接的推動(dòng)意義，這里我們先不涉及,。量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn),，為我們突破摩爾定律和集成電路的發(fā)展提供了一個(gè)全新的原理。這是物理學(xué)基本研究為未來工業(yè)界發(fā)展提供的嶄新道路,。（圖4）但是正如剛才我們講到的,，要加幾個(gè)特斯拉才能實(shí)現(xiàn)這種量子霍爾態(tài)，這就需要加一個(gè)非常大的磁場,。加9,、10個(gè)特斯拉的話是十萬高斯，而我們的地球產(chǎn)生的地磁場只有0.5高斯,。所以我們要想建造電子的 “高速公路”,，讓電子有規(guī)則地運(yùn)動(dòng)，我們施加的磁場需要是地磁場的20萬倍,。要形成這么大的磁場,，所需要的磁鐵不僅造價(jià)高，而且“個(gè)頭大”,，很不實(shí)用,。（圖5）盡管量子霍爾效應(yīng)在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用面臨很大困難，但它在物理學(xué)上還是非常重要的,。除了大大加深了我們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí),，它在計(jì)量學(xué)中也有很重要的應(yīng)用。從1999年起,，量子霍爾電阻被認(rèn)定為計(jì)量學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)電阻,。量子霍爾效應(yīng)被認(rèn)為是測(cè)量精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的獨(dú)立手段，對(duì)量子電動(dòng)力學(xué)具有重要意義,。
圖4量子霍爾效應(yīng)的應(yīng)用。
圖5影響應(yīng)用的一個(gè)問題：強(qiáng)磁場,。
回到最初,，1880年霍爾發(fā)現(xiàn)的反常霍爾效應(yīng)是不需要磁場的,。沿著這樣一個(gè)思路我們會(huì)想到,，有沒有不需要磁場的量子化霍爾效應(yīng)呢？如果我們的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了量子化反?；魻栃?yīng),，不僅在科學(xué)上有重要意義，可以弄清爭論了100多年的反?；魻栃?yīng)的機(jī)制,，而且在應(yīng)用上也有很大的價(jià)值,。此外，這是一個(gè)精密的物理實(shí)驗(yàn),，有很大的挑戰(zhàn)性,，如果能夠成功實(shí)現(xiàn)，說明我們的物理實(shí)驗(yàn)水平已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)母叨?，同時(shí)在這個(gè)過程中還能培養(yǎng)很多優(yōu)秀的年輕物理學(xué)家,。我們清華大學(xué)的辦學(xué)理念是“頂天、立地,、樹人”,，我們的實(shí)驗(yàn)就是實(shí)現(xiàn)這一辦學(xué)理念非常好的平臺(tái)。（未完待續(xù),。本文根據(jù)薛其坤院士2013年4月27日做客清華論壇所作報(bào)告編輯整理,。編輯整理/程曦 張碩 向小雨 賈霄宇 馬逸昕 韓靖北 周詩宇）
來源：新清華 2013-08-30
